モータ制御で学ぶ電子回路と組込プログラミング、ロボット教材、学習キット

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　LED、モータ、ポテンショメータ、エンコーダといった電子部品の基礎から、CPUによるモータ制御まで、A/D変換、PWM、フィードバック制御など、ロボットを動かす上で重要な基礎技術を習得します。また、HDL学習用CPLD拡張オプションを用いることで、HDL（ハードウェア記述言語）の基礎からモータ制御、CPUとの通信インタフェースまで、ソフトとハードの両面から学習できます。

・e-nuvo WHEEL　BASICと同じH8マイコンを使用しており、モータ制御の基本をBASICで、発展的な学習で動く機体の制御をWHEELで学ぶと効果的に組込み学習ができます。
・e-nuvo SEN　センサの基礎的な学習からアクチュエータへの取得信号の出力までの実習が１台で可能です。

製品コンセプト

概要

カリキュラム

モータ制御で学ぶ電子回路と組込みプログラミング（毎日コミュニケーションズ）

BA-A1　組み込みプログラミングの基礎（モータ制御基礎編）

　DCモータの両端に電池を繋ぐとモータは、ぐるぐると回り始めてしまいます。 しかし、実際のロボットでは、関節をある角度で静止させることが必要です。どのようにすればよいのでしょうか？これがモータ制御で学習する事項です。
　まず、トランジスタ、ポテンショメータなどの電子部品の特性を調べ、それらの部品を使って、「ポテンショメータの角度と抵抗値のグラフ」「トランジスタによるモータ駆動」「H-Bridge回路」といった電子実験を行います。 部品の理解が進んだら、CPUを使って、「ポテンショメータの値のA/D変換」「エンコーダの値のカウント」「PWMによるモータ速度の変化」そして、モータ制御「ソフトウェアサーボ」の実験になります。

BA-A2　組み込みプログラミングの基礎（PID制御実装編）

　本書の基礎編に相当する「BA-A1 組み込みプログラミングの基礎（モータ制御基礎編）」では、最終的にON/OFF制御でモータの角度フィードバックを実現するのに必要な“電気部品の基礎”と“組み込みプログラミング”をイチから実習によって学習する内容でした。
　本書では、産業界で一番良く用いられているPID制御を実装すること考えます。最終的にPID制御を実装するにあたって必要な組み込みプログラミングの基礎を学習し、最後にP制御、D制御の挙動をロギングデータで解析し、PID制御についても学習します。PID制御では、P制御、D制御の挙動が下図のようなロギングデータだけなく，実際に動きが見てとれるので、PID制御の役割を理解するのに相応しい題材と言えます。これは、大学などでの学生実験においてのご使用が可能です．

BA-A3　組み込みプログラミングの基礎（PID制御の設計と実習編）

　本書「BA-A3 組み込みプログラミングの基礎（PID制御の設計と実習編）」で学習する内容としては、大きく２つあります。 一つはノイズ除去のための一次ローパスフィルタの学習です。もう一つは、トルク制御によるPID制御の設計、実装、チューニングです。「BA-A2 PID制御の実装編」で学習したPID制御は、目標値に追従するように制御器がPWM信号のDuty[%]を適宜変更してモータを駆動しており、各ゲインは試行錯誤によって決めました。PID制御の各ゲインを設計的に求めようとすると、このPWM方式ではあまり都合がよくありません。そこで一つの方法は、電流フィードバックを構築することによって電流指示（トルク指示）ができるものとして、制御対象をモデリングして、ゲインを設計する手法がああります。これが、トルク制御によるPID制御です。
　今までは、組み込みプログラミングの基礎というコンセプトで、初歩の初歩から学習していくことを前提としていたので、理解しやすいという観点から浮動小数点を用いて実装してきました。しかし、通常はより安価なマイコンでより多くの処理をしたいという要求があるので、floatはあまり使われません。今回実装する電流フィードバックは短い制御周期としたいことから浮動小数点による実装は現実的ではありません。そこで、電流フィードバック制御は整数演算による実装をしています。組み込みプログラミングにおいて、整数演算の考え方は非常に重要なので、本書で学習します。
※本書の内容は、e-nuvo BASIC Ver.1.10以降を対象としています。
（Ver.1.00は、電流を計測するシャント抵抗が搭載されていないため電流フィードバックができないためです。）

BA-B1　『モータ制御学習キット　e-nuvo BASIC　実験マニュアル　Verilog HDLを用いた回路設計 ～ HDL基礎編 ～』

　ソフトウェアが得意な領域は、H8マイコンで。ハードウェアが得意な領域は、CPLD（FPGA）で。産業界で広く使われているアルテラ製CPLDを用いて、ハードウェア設計の基本を学習します。
　AND・ORの論理演算から、デコーダ、セレクタ、フリップフロップと、基礎を順を追って学習します。

仕様

商品名		モータ制御学習キットe-nuvo BASIC ver.1.1 （イーヌーボー・ベーシック）
CPU		ZMPオリジナル汎用CPU基板（×1） 　　・ルネサステクノロジ製H8 Tiny （HD64F3687FP）
CPLD（オプション）		ZMPオリジナル汎用CPLD基板（×1） 　　・アルテラ製MAX II EPM240T100C5
アクチュエータ		マブチ製DCモータ RE-280RA
センサ	角度センサ（デジタル）	・エンコーダ 分解能4[pulse/rev] （基本/2逓倍/4逓倍） ・ポテンショメータ（半固定抵抗5kΩ ）
	角度センサ（アナログ）	シャント抵抗 0.22Ω
	姿勢センサ（オプション）	ZMPオリジナルジャイロセンサ基板（×1） 　　・ジャイロセンサ：村田製作所製ENC-03RC×1
	加速度センサ（オプション）	ZMPオリジナル加速度センサ基板（×1） 　　・加速度センサ：ANALOG DEVICES製ADXL322JCP
付属品		ブレッドボード、ジャンプワイヤ、ワニグチクリップ、CPU書込み用ハーネス、その他予備部品
PCインタフェース		RS-232C　（フラッシュ書込み用）
電源		制御用 CPU5[v]、CPLD3.3[v] （1.2[v]充電池×3を昇圧） モータ用 3.6[v] （1.2[v]充電池×3を直接入力）
ACアダプタ（オプション）		3.3[v]、 2[A]
推奨開発環境	統合開発環境	ルネサステクノロジ製HEW（High-performance Embedded Workshop）
	フラッシュ書込みツール	ルネサステクノロジ製FDT（Flash Development Toolkit）

ユーザ事例、導入先一覧

ユーザ事例

• 芝浦工業大学 システム理工学部 生命科学科（米田隆志教授、花房昭彦教授）
  • 大学３年次における学生実験（医療福祉応用実験）にてe-nuvoBASICを利用しています。目的は、電子回路、制御、プログラミングといった１、２年次に学習した内容を、機材を使った実習を通して理解を深めることです。学生一人に一台のe-nuvoBASICを割り当て、3年次後期に90分×3コマ（2コマ実習、1コマ講義とまとめ）×12週の実習にて進めています。
    　e-nuvo BASICに付属しているブレッドボード、実習ボードを用いてデジタル回路やアナログ回路（トランジスタ，オペアンプによる，増幅・フィルタ）、C言語による制御技術の勉強を行い、LEDの点灯表示、スイッチ入力、モータの回転実験、ポテンショ―メータの角度フィードバックを利用した比例制御によるモータの角度制御などを行っております。最後に、LCDディスプレイと各自が半田付けによって作成した照度センサの増幅・フィルタ回路をBASICに接続し、照度センサによる照度のLCD表示に挑戦しています。照度センサは光源の変動によるノイズなども拾うため、学習したフィルタの効果の確認にもなります。また照度によってアクチュエータとなるモータの回転速度を制御するというプログラムも作成します。
    　これらの実験を通して、メカトロニクスの実社会へのつながりを意識させています。
    （参考文献）
    ・モータ制御で学ぶ電子回路と組込みプログラミング，監修 水川真，著者 坂井亮介，毎日コミュニケーションズ，2009．
    ・H8/Tinyマイコン完璧マニュアル，編著者 島田義人，ＣＱ出版社，2005.
• 第1回「実践！　ロボット教育・研究フォーラム」（2009年7月22日）
  • 成蹊大学　理工学部エレクトロメカニクス学科　柴田昌明 教授
    大学3年次における学生実験で利用されています。DIPスイッチ、エンコーダ入力によるLED点灯、ポテンショメータによるモータの回転、エンコーダのパルスカウント、タイマ割り込みやマイコンとの通信方法を習得した後、P、PD、PID制御によるモータの位置制御を行っています。（詳細資料）

ポテンショメータで
速度調整可能な
ピッチングマシーン


踏切の遮断機の動きを再現

• 【応用事例】明治大学 理工学部 機械情報工学科 知能機械研究室（小林博明教授）
  • 対象
    　自由な発想で“ものづくり”をすることをテーマに、4月に4年生となり研究室に配属される3年生が、直前の1月から2月にかけて、e-nuvo BASICを用いた組込みを行っています。
  • 目的
    　ゼミナール1の復習および卒業研究を行うための準備として、4人1組で約1か月をかけてe-nuvo BASICを用いた作品の企画、工作作業、研究室での発表（15分～20分）を行っています。
    　この取り組みは、4年生の卒研でも活きるほか、期限内でハード、ソフト担当に分かれて「プロジェクト」を体験することは、将来、社会に出てからも役に立つものと考え、毎年行っています。
  • BASICを採用した理由
    　e-nuvo BASICにはモータ制御のカリキュラムが用意されているので、本体とカリキュラムを参照しながら、学生が主体的に取り組むことができる点が魅力でありBASICを採用しました。

導入先一覧　（2011年3月現在）

• 大学、大学校、高等専門学校、高校
  • 宇都宮大学、大分大学、大阪大学、金沢大学、九州大学、京都教育大学、静岡大学、東京大学、東京海洋大学、東北大学、名古屋工業大学、山形大学、山梨大学、琉球大学、和歌山大学、大阪市立大学、北九州市立大学、首都大学東京、広島市立大学、前橋工科大学、愛知工科大学、大阪工業大学、大阪産業大学、神奈川工科大学、九州産業大学、近畿大学、四国大学、芝浦工業大学、成蹊大学、崇城大学、千葉工業大学、中央大学、中京大学、東海大学、西日本工業大学、日本大学、日本工業大学、福井工業大学、福岡工業大学、福山大学、北海道情報大学、明治大学、名城大学、大分県立工科短期大学校、産業技術短期大学、九州職業能力開発大学校、職業能力開発総合大学校、ポリテクセンター千葉、広島高等技術専門校、釧路工業高等専門学校、高松工業高等専門学校、小山工業高等専門学校、津山工業高等専門学校、沼津工業高等専門学校、日立工業専門学校、愛知産業大学工業高校、兵庫工業高校　ほか
• 企業
  • アイシン精機、アヴァシス、沖データ、オージス総研、オムロン、神戸製鋼、清水建設、セイコーエプソン、東芝テック、豊通シスコム、日本電産コパル電子、三菱電機、矢崎総業　ほか
    

セットパッケージ、オプション

• センサ学習パッケージ
  e-nuvo BASICと組み合わせることで、加速度センサ、ジャイロセンサボードを題材に、センサの仕組みやデータ取得の方法を実務的にに学ぶことができます。
• マトリックスLEDオプション
  e-nuvo BASICで8ｘ8マトリックスLEDを点灯させる応用パッケージです。『BA-A3　組み込みプログラミングの基礎（PID制御の設計と実習編）』で学ぶタイマー制御の応用編です。
  

価格

• e-nuvo シリーズ価格表

• 製品一覧
• 次世代モビリティ・電気自動車に求められる研究開発用製品と人材育成教材
• 教育用ラインナップ
• 研究用ラインナップ
• 専門書、テキスト